通信及調度機房多組并聯蓄電池組實現在線逐組核容關鍵技術方案

李偉杰++魏合民++李志波++王曉強

摘 要：隨著電力電子技術、通信網絡以及人工智能等技術的飛速發展與應用，直流電源系統在網絡智能自動化方面得到飛速提升甚至已實現監控對象的無人值守，例如電站、銀行、通信基站、調度機房等。而作為直流電源系統核心部件的蓄電池組在日常維護定期核容方面相較于完善的智能監控系統而言技術措施嚴重落后，因此本文就復雜配置情況下的多組并聯蓄電池組實現在線逐組核容關鍵技術方案進行簡要論述，為相關領域檢測與監護設備設計研發人員提供技術實現參考。

關鍵詞：蓄電池；在線核容；逐組放電；內阻檢測；電池活化

Abstract： with the rapid advancement and wide range of application of the power eletronics technology， communication network and the artific intelligence， the DC power system has got rappid development both in networked and intelligentize， even has realized unattended to substation， bank， base station， engine room， etc. As the core components of the DC powersystem，the technical measures of maintenance and capacity testing regulary for battery is lagging behind the perfect intelligent monitoring system. Therefore this article makes some short specification on capacity testing of parallel battery online through group by group under the complex configuration， in order to give technical support for researchers in related fields of testing and monitoring equipment.

Keywords： storage battery； capacity testing online； group by group discharge； internal resistance detection； battery activation

中圖分類號：F273 文獻標識碼：A

一、概述

直流電源系統被稱為發電廠與變電站的心臟，同時也是通信基站、調度機房等重要場所設備可靠運行的保障力量，而如何實現直流電源系統全面完善地檢測與監護，就成了設備安全穩定運行的關鍵所在。

在通信基站、調度機房等場所，直流電源系統在市電正常的情況下是作為后備電源運行，長期處于浮充電狀態，極易造成極板硫化，蓄電池內阻增大甚至單節電池開路。在一些地區的變電站雖然實現了無人值守，綜自系統覆蓋了部分直流系統信息，但由于蓄電池長期處于浮充狀態，常規巡檢各節單體電池電壓的方法很難確認蓄電池組的好壞，一旦發生事故蓄電池由浮充狀態轉為放電，放電瞬間可能出現開路無法輸出的情況，造成事故擴大的嚴重后果，在深圳、吉林等一些地區已經出現過類似嚴重事故。國家電網公司頒布的《直流電源系統運行規范》明確要求：“新安裝的閥控蓄電池在驗收時應進行核對性充放電，以后每2～3年應進行一次核對性充放電，運行了6年以后的蓄電池，宜每年進行一次核對性充放電?！痹谕ㄐ判袠I中由中國移動頒布的《中國移動通信蓄電池維護管理規定》中要求：“一、二類蓄電池每兩年應做1次容量放電試驗，使用4年后應每年1次。三、四類蓄電池每3年應做1次容量放電試驗，使用6年后應每年1次。”雖然相關部門對蓄電池測試維護頒布了一些政策舉措，并且一個站點的核容測試時間間隔已經很大，但是由于站點分布具有全國廣域性，數量眾多，每個站點充放電1次至少兩天測試時間，時間跨度長，從技術操作層面上很難百分之百執行到位。在實際執行過程中耗費大量人力物力財力并且在測試過程中存在人為操作失誤等潛在危險，所以對蓄電池組的有效監護一直是困擾維護人員的一個難題。

二、國內外研究現狀

目前國內有幾家直流電源廠商及BMS廠商研發設計了具有自身特色的應用于變電站直流系統蓄電池組的在線式核容測試監護系統，一些系統已在內蒙、河北及青海等地一些電站進行試運用，但是從使用效果來看，幾家廠商做的測試維護系統良莠不齊，實現方案也不盡相同、控制技術不完善、標準不統一，系統在穩定可靠成熟度上以及功能便捷性上還不夠理想，較早投入運用的內蒙試點項目在設備運行過程中經常出現設備通信中斷等異常情況，使得運維人員還需到測試現場人工介入才能完成放電核容測試。此外目前所有直流系統廠家所研發的在線式核容測試系統都是針對變電站直流系統應用，在通信基站、調度機房等其他場所應用還鮮有聞之。在變電站內直流系統通常是一段母線上只掛接一組蓄電池組，不存在多組在線核容的問題。而在通信基站及調度機房一般是多組蓄電池組并接在母線上，對于此種多組并聯蓄電池組在線逐組核容測試在國內外尚未有案例，廠家通常做法是跨接一組中的單塊或少數幾塊電池使其脫離供電系統然后單獨進行充放電，此種方案附加器件繁多，接線繁亂，操作煩瑣，降低了電源系統整體可靠性。所以目前針對通信基站及調度機房多組并聯蓄電池組情況的在線式逐組整體核容急需提出一種可行與可靠的實現方案，填補此領域的技術空白。

三、在線式核容充放電方案論述

1.母線常規只掛接單組蓄電池時的基本方案

第一種為蓄電池正負極兩端串接逆止整流管結合并接接觸器和放電假負載，如圖1所示。正常運行狀態下接觸器常閉接點和逆止管同時導通蓄電池組掛接在直流母線上，當執行放電測試時接觸器動作，常閉接點打開，此時蓄電池組單向導通反向隔離充電機的充電功能，進而實現外掛放電假負載對蓄電池的放電。此種方案適用于變電站有兩段母線各掛一組電池的情況，當一組電池做放電測試時母聯開關閉合兩母線短時并列運行由另一套電池臨時帶兩段母線，核容完畢時恢復獨立運行。當直流系統只有一組電池組時通常是做部分容量放電然后結合出廠標稱曲線預估整體容量。但是對于多組并聯蓄電池組情況在做電池組回充電時會出現電池組間的大環流所以不適用于多組并聯逐組放電場合。

第二種為蓄電池組中每節電池并接終端單元，在做放電核容測試時通過隔離電池組中小部分串接電池進行局部充放電測試。如圖2所示：此方案的優點是可以實現單節電池的電壓補償和跨接剔除。但是此方案配置附件繁多操作復雜增加了系統的不可靠程度，一旦附加在每節電池上的導流器件或控制單元出現問題可能導致整組電池不能正常工作甚至出現危險，此方案雖然實現了內阻檢測但只能通過小電流放電實現，無法通過整組放電大電流放電法實現內阻檢測，內阻檢測精度不容易保證。總的來說，此種方案在成熟度上還有很多的問題待解決，此外此種方案也和第一種方案一樣不適用于多組并聯蓄電池在線整組放電核容的情況。

第三種為蓄電池組串接電壓激勵源當要執行放電測試時，激勵源發生一個合適的電壓從而提高電池組相對于直流母線的電位致使充電機輸出被阻改為蓄電池組帶載形成激勵源導流，最終實現電池組的順利放電。此種方案對激勵源穩定性控制要求極高，所以此種方案基本不被采用。

第四種為直流系統原充電機組與放電單元聯動方案，這種方案適用于新建項目，在初始設計時即進行充電機組與放電單元的有機一體設計，如圖3所示，放電假負載可作為其中一個直流饋線支路的正常負載修正放電電流，充電機組由功率主供單元轉為熱備狀態停止功率輸出，轉而由蓄電池帶載實現放電核容測試，此種方案基本不改變原直流系統運行設計方案，對一二次回路均不做重構，附加器件少，運行可靠，當放電過程出現異常情況時充電機組由熱備用恢復主供運行，保證負載的不間斷正常運轉，此方案對于兩段母線或一段母線一組蓄電池情況均適用。不足之處是對于現實已存充電機組的直流系統改造站無法統一設計應用。另外就是對于通信基站及調度機房等多組并聯蓄電池組的情況無法實現在線逐組核容。

2.多組并聯情況下的在線逐組核容關鍵實現方案

多組并聯在線逐組核容測試就是指兩組或多組蓄電池組掛接同一段母線，不分段，不退出，每組單獨放電測試。由于母線不分段情況下要實現在線逐組充放電，所以在這里提出了分級思路，即充電母線+負載母線架構方案思路。兩組或多組蓄電池置于充電母線與負載母線之間完成并列分隔隔離，從而實現逐組放電目的，如圖4所示。

直流電源系統正常運行狀態下接觸器KA1、KA2、KA3、KA4不動作，常閉接點閉合蓄電池組處于浮充狀態。當啟動逐組核容測試第一套電池組GB1開始放電時，接觸器KA1、KA2動作，對應常閉點打開，此時逆止整流管實現第一套電池組與充電機組單向隔離，此時蓄電池組依然是未脫離負載母線的在線狀態。第一組電池與充電機組單線隔離后放電單元控制器控制開關QF1合閘然后指令放電單元NQF啟動，開始對蓄電池地放電測試，同時自動實時記錄放電數據和監控放電系統運行狀態，控制器一旦監控到異常情況或檢測到某個參數達到預設保護定值，則指令終止放電過程恢復原運行狀態。放電單元摒棄了常規放電電阻方案，取而代之為有源逆變器，這樣在實現自動充放電后，有條件提高核容頻次情況下可以有效節約能源，把蓄電池組放電過程中泄放的電量回饋電網使核容系統綠色環保，同時由于能量回收后沒有了常規放電電阻大量熱量釋放，避免了排熱不及時導致周圍電力電子設備故障的嚴重影響，另外有源逆變單元屬于模組化的智能負載，在放電過程中出現異常情況，例如與放電系統控制器通信中斷時，逆變單元可以自動實現自身閉鎖停止放電過程，這給自動放電測試增加一道保護屏障。

當第一組蓄電池深度放電核容完畢回充電時接觸器KA1、KA2動作復歸，對應常閉點導通，單向導流隔離取消，同時逆止整流管D2、D2v、D3、D3′實現對第一組與第二組電池的并列分隔隔離，避免了在第一組電池深度放電后回充電時與第二組電池壓差過大導致大環流損壞電池或嚴重事故發生。

當第一組電池整個充放電過程完畢再次恢復浮充狀態并且下一組電池放電準備就緒時放電系統啟動下一組電池核容測試，即完成在線逐組核容，同樣KA3、KA4動作D6單向導通隔離充電機組，回充電時D1、D1′、D4、D4′實現第二組與第一組電池并列分隔隔離消除可能的大環流。

圖中調壓單元即硅鏈區域依據現場帶載情況選配，限制前一組電池回充電時充電機組改變浮充狀態調整輸出后的其他組電池自流深度，理論上現場電池組為兩組并聯時負載電流不大于0.25C時可以不加裝此單元，兩組以上并聯時，負載電流還允許進一步提高而不必加加裝此單元。

3.多組并聯情況下的在線逐組核容就緒使能及保護動作機制

系統放電就緒時全部電池組處于浮充狀態，無影響該功能執行或者影響系統供電可靠性影響的告警：例如但不僅限于交流停電、交流缺相、整流模塊故障（無法提供滿功率、通信中斷等）、系統電流不平衡、電池熔熔斷器熔斷、與電池柜監控通信中斷、有源逆變模組及其他檢測模塊有告警、故障等。放電過程中的保護項至少包括放電容量達到預設值、放電時間達到預設值、電池組欠壓、單節電池欠壓、環境溫度異常、主控器與任意執行單元通信中斷、有放電模組任意模塊運行異常等。

結語

本文論述了通信及調度機房蓄電池組多組并聯情況下在線逐組核容方案，提出并列分隔隔離關鍵技術架構，解決了多組并聯情況下逐組整體核容的難題，避免了采用少數幾節電池分段放電測試方案對諸如小電流放電檢測內阻精度等存在的不足以及繁雜的附件配置對系統整體可靠性的影響。此方案對相關領域技術人員提供了新的設計研發思路。

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